本发明专利技术公开了一种搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层及制备方法，包括依次附着在搅拌摩擦焊头以外的结合层、过渡层、支撑层和自润滑层，结合层为电弧离子镀方法高能轰击制备的AlCrSiN纳米晶‑非晶层，过渡层为AlCrSiCN过渡金属氮碳化物纳米晶‑非晶陶瓷层，支撑层为AlCrSiCN/CrCN纳米多层，自润滑层为AlCrSiCx/CrCx纳米多层，本发明专利技术采用梯度复合涂层技术，从基体表面氮化物开始到最表面的碳化物涂层，形成结构和成分渐变，涂层和基体为冶金结合，具有良好的附着力；将高硬度的AlCrSiCx和CrCx良好的润滑性能的富碳的纳米晶复合类金刚石结构进行复合，可以使碳化物层韧化和耐温性提高，进一步提高其耐磨性和高温热稳定性。
【技术实现步骤摘要】
搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层及制备方法
本专利技术涉及一种表面强化技术，尤其涉及一种搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层及制备方法。
技术介绍
搅拌摩擦焊技术是英国焊接研究所于1991年专利技术的。首先在铝合金、镁合金等轻金属结构领域得到应用，近年也有将其应用于熔点较高的材料。搅拌摩擦焊在铝合金上的应用不仅涉及到各种材料的焊接，还研究了大范围的异种铝合金的焊接。搅拌摩擦焊方法与普通的电弧焊或者激光焊接不同，搅拌摩擦焊是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，从而使连接部位的材料温度升高软化并对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。搅拌头是搅拌摩擦焊中极其重要的部件，搅拌头的寿命直接决定了焊接质量的稳定性。揽拌摩擦焊接过程中搅拌头工况比较恶劣，处于高温高压的环境。搅拌头的材料、形状尺寸等的选择都会对搅拌头的寿命以及焊接过程产生影响。搅拌头材料的选择也会通过影响产热和传热等因素进而反过来影响焊接质量。此外搅拌头的材料还可能会影响焊缝的微观组织。目前搅拌头材料主要有工具钢、热作模具钢H13、聚晶立方氮化硼和硬质合金等。搅拌头和材料之间的摩擦会使铝合金材料黏附到搅拌头表面。如果搅拌头表面的螺纹被铝合金填满，则在焊接过程中经常会导致摩擦力降低，影响焊接过程。为此需要降低搅拌头表面和铝之间的摩擦。传统降低摩擦系数的方式是往摩擦界面上进行润滑剂的添加。但焊接过程中摩擦头表面被铝液紧密包裹，无法进行润滑。为此搅拌头用新型耐高温润滑薄膜材料的开发具有重要价值。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有良好的自润滑性能和高耐磨性的搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层，进一步地提供一种搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层的表面涂层的制备方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层，包括依次附着在搅拌摩擦焊头以外的结合层、过渡层、支撑层和自润滑层，所述的结合层为电弧离子镀方法高能轰击制备的AlCrSiN纳米晶-非晶层，过渡层为AlCrSiCN过渡金属氮碳化物纳米晶-非晶陶瓷层，支撑层为AlCrSiCN/CrCN纳米多层，自润滑层为AlCrSiCx/CrCx纳米多层。本专利技术解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的结合层的AlCrN纳米晶的直径为3-20纳米，所述的结合层的SiNx非晶层的厚度为1-10纳米，所述的结合层的涂层厚度为50-1000纳米。本专利技术解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的过渡层的AlCrCN纳米晶的直径为5-25纳米，所述的过渡层的SiCN非晶层的厚度为1-5纳米，所述的过渡层的涂层厚度为500-1500纳米。本专利技术解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的支撑层由AlCrSiCN单层和CrCN单层交替形成，所述的AlCrSiCN单层厚为3-15纳米，所述的CrCN单层厚度为5-20纳米，所述的支撑层的调制周期为8-35纳米，所述的支撑层的涂层厚度为200-2000纳米。本专利技术解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的自润滑层由AlCrSiCx单层和CrCx单层交替形成，所述的AlCrSiCx单层厚为2-20纳米，所述的CrCx单层厚度为5-25纳米，所述的自润滑层的调制周期为7-45纳米，所述的自润滑层的涂层厚度为200-2000纳米。本专利技术解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的SiNx非晶层、AlCrSiCx单层和CrCx单层中的x大于等于1且小于等于3。本专利技术解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：总涂层厚度为950-6500纳米。本专利技术的另一个保护主题：搅拌摩擦焊头，包括搅拌摩擦焊头基体及权利要求1-7任一所述的搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层，所述的搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层附着在所述的搅拌摩擦焊头基体的外表面上。本专利技术的另一个保护主题：搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层的制备方法，包括如下步骤：S1：在100-300℃，在氩气和氢气环境中，对搅拌摩擦焊头进行等离子刻蚀；S2：在2-5Pa，50-200V条件下沉积AlCrSiN纳米晶-非晶层；S3：在1-6Pa，50-200V条件下沉积AlCrSiCN过渡金属氮碳化物纳米晶-非晶陶瓷层；S4：在0.4-1Pa，100-250V条件下沉积AlCrSiCN/CrCN纳米多层；S5：在1.5-4Pa，150-250V条件下沉积AlCrSiCx/CrCx纳米多层；S6：制备结束后自然冷却，得到搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层。本专利技术另一个主题的进一步优选的技术方案为：所述的搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层的制备采用电弧离子镀设备制备，所述的电弧离子镀设备包括由炉壁围成的真空室，所述的真空室内设有工件架，所述的搅拌摩擦焊头安装在所述的工件架上，所述的真空室的一侧设有刻蚀靶，所述的刻蚀靶内侧设有一挡板，以防止刻蚀靶上的材料蒸发到搅拌摩擦焊头上。与现有技术相比，本专利技术是综合利用纳米多层膜技术、纳米晶-非晶技术、梯度涂层技术来开发适合于焊接摩擦头表面涂层材料，本专利技术采用多种材料进行复合，是典型的类金刚石掺杂涂层，同时掺杂的元素是碳化物，相比金属具有更高的硬度。并且，本专利技术采用梯度复合涂层技术，从基体表面氮化物开始到最表面的碳化物涂层，形成结构和成分渐变，涂层和基体为冶金结合，具有良好的附着力。此外，与单层涂层相比，本专利技术采用多层纳米结构技术充分抑制了柱状晶的生长，可以提高涂层的致密度。再则，本专利技术将高硬度的AlCrSiCx和CrCx良好的润滑性能的富碳的纳米晶复合类金刚石结构进行复合，可以使碳化物层韧化和耐温性提高，进一步提高其耐磨性和高温热稳定性。附图说明以下将结合附图和优选实施例来对本专利技术进行进一步详细描述，但是本领域的技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本专利技术范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅示意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。图1为本专利技术所采用的电弧离子镀设备的示意图。图2为本专利技术的搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层的结构示意图。具体实施方式以下将参考附图来详细描述本专利技术的优选实施例。本领域中的技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应被解释为限定了本专利技术的保护范围。实施例1：具体地，如图1所示，在搅拌摩擦焊头基体上制备搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层的设备为电弧离子镀设备，其包括炉体A，炉体A的真空室由三面炉壁6和一面炉门1围成，真空室尺寸为900x900x900mm。真空室的中心设置有可旋转的工件架4，搅拌摩擦焊头被安装在工本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层，其特征在于包括依次附着在搅拌摩擦焊头以外的结合层、过渡层、支撑层和自润滑层，所述的结合层为电弧离子镀方法高能轰击制备的AlCrSiN纳米晶-非晶层，所述的过渡层为AlCrSiCN过渡金属氮碳化物纳米晶-非晶陶瓷层，所述的支撑层为AlCrSiCN/CrCN纳米多层，所述的自润滑层为AlCrSiCx/CrCx纳米多层。/n
【技术特征摘要】
1.搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层，其特征在于包括依次附着在搅拌摩擦焊头以外的结合层、过渡层、支撑层和自润滑层，所述的结合层为电弧离子镀方法高能轰击制备的AlCrSiN纳米晶-非晶层，所述的过渡层为AlCrSiCN过渡金属氮碳化物纳米晶-非晶陶瓷层，所述的支撑层为AlCrSiCN/CrCN纳米多层，所述的自润滑层为AlCrSiCx/CrCx纳米多层。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层，其特征在于所述的结合层的AlCrN纳米晶的直径为3-20纳米，所述的结合层的SiNx非晶层的厚度为1-10纳米，所述的结合层的涂层厚度为50-1000纳米。
3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层，其特征在于所述的过渡层的AlCrCN纳米晶的直径为5-25纳米，所述的过渡层的SiCN非晶层的厚度为1-5纳米，所述的过渡层的涂层厚度为500-1500纳米。
4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层，其特征在于所述的支撑层由AlCrSiCN单层和CrCN单层交替形成，所述的AlCrSiCN单层厚为3-15纳米，所述的CrCN单层厚度为5-20纳米，所述的支撑层的调制周期为8-35纳米，所述的支撑层的涂层厚度为200-2000纳米。
5.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层，其特征在于所述的自润滑层由AlCrSiCx单层和CrCx单层交替形成，所述的AlCrSiCx单层厚为2-20纳米，所述的CrCx单层厚度为5-25纳米，所述的自润滑层的调制周期为7-45纳米，所述的自润滑层的涂层厚度为200-2000纳米。
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【专利技术属性】
技术研发人员：李建军，范鹏，朱恩光，
申请(专利权)人：爱柯迪股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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